CN102158013A - 风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，由多个蒸发冷却回路并联而成，每个蒸发冷却回路并联多个循环支路(1)。所述的循环支路(1)的前端通过绝缘接头(8)和连接管道(9)连接入集气管(2)；集气管(2)与冷凝器(3)的冷却空间相连，冷凝器(3)的冷却空间与回液管(4)的入口端相连；回液管(4)的出口端连入外集液管(5)，外集液管(5)与循环泵(6)的入口端相连；循环泵(6)的出口端连入内集液管(7)；内集液管(7)通过绝缘接头(10)、连接管道(11)与循环支路(1)的后端相连。所述的蒸发冷却回路中注入液体蒸发冷却介质。

Description

风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电机的蒸发冷却装置。

背景技术

随着可再生能源的研究和利用受到越来越多的关注，风力发电技术的发展突飞猛进。目前，单机容量增大已经成为当今风电技术的发展趋势，容量增大，对其冷却系统提出更高的要求。目前运行的风力发电机普遍采用的冷却方式主要有两种：风冷和液体冷却。

自然风冷和强制风冷都属于风冷方式，自然风冷一般是指利用自然风对电机进行冷却，这种方式一般要在电机机壳外部加工大面积的散热片，加工较为复杂，且自然风的风压和风量不能调节。强制风冷通过在风力发电机内部设置风扇，对电机内部各部件强制吹风冷却。

这两种风冷方式结构简单，初投资和运行的费用较低。但是这种冷却方式主要靠空气的比热吸热带走热量，冷却效率较低，而且其冷却效果受到气温等外界因素影响较大，冷却效果差，这限制了其在大容量电机上的发展。

液体冷却一般采用的冷却介质为水，与风冷相比，冷却效率大大提高。但是一旦冷却水泄漏往往引起短路，造成重大损失，这是水冷机组安全运行中的一个重大隐患。另外，鉴于风力发电机特殊的运行环境，冬季要承受零下40℃的严寒，因此应用在风力发电机的冷却水还必须加入防冻剂，而这种防冻剂对钢铁有腐蚀性。所以水冷机组的冷却通道必须采用特殊金属加工，或者进行防腐处理。

我国自主研发的蒸发冷却技术，利用蒸发冷却介质汽化吸热的原理来冷却电机。与传统的冷却方式相比，有着独特的优势。蒸发冷却技术利用汽化潜热吸热，冷却效率高，冷却均匀全面。采用高绝缘、沸点合适、不燃不爆、安全、稳定、无毒环保的蒸发冷却介质，保证了电机的安全稳定运行。其中，内冷式蒸发冷却技术已经成功地应用在了水轮发电机上，也即将可能应用于汽轮发电机上。但应用在风力发电机的蒸发冷却装置，既不同于汽轮发电机的卧式蒸发冷却系统，也不同于水轮发电机的立式蒸发冷却系统。因为风力发电机独特的“塔筒效应”，风力发电机的前端高于后端，机身向上倾斜3～5°。相应的，风力发电机的内冷式蒸发冷却系统也向上倾斜3～5°。中国专利200710177555.3“内冷式自循环蒸发冷却风力发电机定子结构”就是针对这种独特结构提出的一种定子结构，其采用内部充有蒸发冷却介质的封闭的自循环冷却系统。这种定子结构的特点是利用风力发电机本身的结构倾角提供循环动力，实现定子绕组冷却系统的无泵自循环。但由于没有泵，而风力发电机本身的结构倾角只有3～5°，系统可用的循环动力很小，所以每一个循环支路的长度有限。另一方面自循环系统的循环流动方向只能是沿倾斜支路自低向高单一方向，所以整个系统的并联循环支路数量很多，因此就需要大量的绝缘接头，每一个接头都需要满足严格的密封要求。这样就给机组的制造、安装和维护带来很大的工作量，增加了成本，还降低了机组运行的可靠性。而且由于循环动力不可调，当多个循环支路并联时，可能会出现严重的流量分配不均等现象，使并联时的不稳定性加剧。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置。

本发明风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置采用管道内冷式蒸发冷却技术。本发明蒸发冷却装置中，定子绕组空心导线、集气管、冷凝器、回液管、外集液管、循环泵、内集液管顺次连接，最后再连接到所述的定子绕组空心导线，构成蒸发冷却回路。上述各个部件之间通过绝缘接头和连接管道连接。蒸发冷却回路中注入液体蒸发冷却介质。本发明的特征是在蒸发冷却回路中装有强迫蒸发冷却介质循环的循环泵。风力发电机定子绕组为空心导线，或采用实心导线与空心导线的组合，空心导线为冷却介质提供通道。多根空心导线串联构成一个循环支路，多个循环支路并联后和一个冷凝器、循环泵构成一个蒸发冷却回路。多个蒸发冷却回路并联构成整个风机发电机的蒸发冷却系统。

风力发电机运行时，电机发热，热量传递给蒸发冷却回路中的液体蒸发冷却介质，液体介质受热温度升高。当介质温度达到对应压力下的饱和温度时，液体介质蒸发汽化，并在循环泵的驱动下沿循环支路流动，经由集气管汇总进入冷凝器的冷却空间，与二次冷却介质进行热交换，冷凝后蒸发冷却介质液化流入回液管。本发明在循环泵的入口和出口处分别安装有外集液管和内集液管。循环泵的入口端与外集液管相连，循环泵通过外集液管并联多根回液管。循环泵的出口端与内集液管相连，由空心导线串联成的每个循环支路的两个引出端经过绝缘接头、连接管道，分别与内集液管和集气管相连接。

由于风力发电机特有的“塔筒效应”使得风力发电机的整个机身具有3～5°倾角，因此本发明也相应地具有3～5°倾角，液体介质蒸发汽化，并在循环泵的驱动下沿具有3～5°倾角的循环支路流动。正是因为小倾角的存在，使得本发明所涉及的流体、传热等问题都与汽轮发电机的水平装置、水轮发电机的垂直装置有了本质的不同。

多根空心导线的串联方式既可以是多根空心导线之间采用接头进行串联，也可以是多根空心导线之间进行焊接串联，也可以根据绕制工艺直接由单个导线绕制而成。

本发明的风力发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置，与现有的风力发电机冷却技术相比，具有以下显著的特点：

(1)本发明所采用的内冷式蒸发冷却技术，由于采用高绝缘、不燃不爆、安全、稳定、无毒环保的蒸发冷却介质，避免了因为水冷机组因为水泄漏而发生各种事故的危险。

(2)与水冷机组相比，少了附加的水处理装置；与风冷机组相比，减少了维护费用；本发明大大节省了投资和运行、维护的费用。

(3)与现有的水冷、风冷方式相比，采用的内冷式蒸发冷却技术选用沸点合适的蒸发冷却介质，利用潜热带走热量，具有更高的冷却效率，更好的冷却效果，在风力发电机大型化发展中有着更广阔的应用前景。

与风力发电机的内冷式自循环蒸发冷却装置相比，本发明具有下列明显的效果：

(1)本发明采用了循环泵，每一个循环支路的长度增长，空心导线之间可以串联，大大减少了循环支路数，进而减少了绝缘连接头的数量。这样不仅可以降低生产、制造的成本，而且可以提高系统的安全可靠性，也减少了运行维护的工作量。

(2)采用循环泵，使得蒸发冷却循环系统的循环动力可调。当多个循环支路并联时，通过调节泵的参数，可以调节介质流量的分配，避免发生严重的不稳定现象，提高了安全可靠性。

(3)当装置中的泵提供固定不变的循环动力时，内冷通道中的蒸发点位置将随着负荷大小的改变而改变，以保证定子绕组的温升基本保持不变。这样就避免了负荷变化对绝缘使用寿命的影响，节约了维护费用。

附图说明

图1是风力发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置的一个循环支路的原理图；

图2是当每一个冷凝器所在的循环回路使用一个独立的循环泵时，风力发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置中多个循环支路、多个冷凝器并联的原理图；

图3是当多个循环回路共用一个循环泵时，风力发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置中多个循环支路、多个冷凝器并联的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置由多个蒸发冷却回路并联而成，每个蒸发冷却回路又由多个循环支路并联而成。一个循环回路对应一个冷凝器，每个循环回路可以使用一个独立的循环泵，也可以多个循环回路共用同一个循环泵。整个强迫循环蒸发冷却装置中，通常采用多个冷凝器并联使用。

本发明蒸发冷却装置具有3～5°倾角。

如图1所示为风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置的一个循环支路。定子绕组采用空心导线，或者空心导线、实心导线组合构成。如图1所示，以三根定子空心导线串联成一个循环支路1为例。三根空心导线首尾相连，串联成一个循环支路1。循环支路1的前端通过绝缘接头8和连接管道9，连接入集气管2。集气管2与冷凝器3的冷却空间相连，冷凝器3的冷却空间再与回液管4的入口端相连。回液管4的出口端连入外集液管5，外集液管5与循环泵6的入口端相连。循环泵6的出口端连入内集液管7。内集液管7再通过绝缘接头10、连接管道11与循环支路1的后端相连。定子绕组中的空心导线及与其相连的冷却通道内注入液体蒸发冷却介质。本发明所选用的蒸发冷却介质，均应满足高绝缘、不燃不爆、沸点合适、稳定安全、无毒、环保的要求。在实际应用中，集气管、外集液管、内集液管的布置方式以及各连接管路和接头可以根据具体的电机结构作相应的调整。

图2所示是当一个冷凝器所在的循环回路使用一个独立的循环泵时，风力发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置中多个循环支路、多个冷凝器并联的原理图。图2以两个循环回路并联为例，每个循环回路的构成以三个循环支路并联为例。一个循环支路由多个定子绕组空心导线串联而成。其中，绝缘接头与连接管道的结构组成与图1所示相同，此处省略不再在图中赘述。三个循环支路1并联后构成第一循环支路组14，接入第一集气管2，第一集气管2连入第一冷凝器3的冷却空间。第一冷凝器3的冷却空间再与第一回液管4的入口端相连，第一回液管4的出口端与外集液管5相连。外集液管5与第一循环泵6的入口端相连，第一循环泵6的出口端连接到第一内集液管7。第一内集液管7再分别与并联的三个循环支路1相连，这样就构成了一个蒸发冷却回路。相应地，当两个冷凝器并联时，三个循环支路8并联构成第二循环支路组15，与第二集气管9、第二冷凝器10、第二回液管11、外集液管5、第二循环泵12、第二内集液管13顺次相连，构成另一个并联的蒸发冷却回路。

在实际应用中，也可能多个蒸发冷却回路并联后共用一个循环泵。图3所示是这种情况下，风力发电机定子绕组强迫循环蒸发冷却装置中多个循环支路、多个冷凝器并联的原理图。图3也以两个循环回路并联为例，每个循环回路的构成以三个循环支路并联为例。一个循环支路由多个定子绕组空心导线串联而成。绝缘接头与连接管道的定义与图1中相同，此处省略不再在图中赘述。三个循环支路1并联构成第一循环支路组12，连入第一集气管2，第一集气管2与第一冷凝器3的冷却空间相连。第一冷凝器3的冷却空间连接到第一回液管4的入口端，第一回液管4的出口端连入外集液管5。外集液管5与循环泵6的入口端相连，循环泵6的出口端通过内集液管7分别与第一循环支路组12、第二循环支路组13相连。三个循环支路8并联成第二循环支路组13，与第二集气管9、第二冷凝器10、第二回液管11、外集液管5、循环泵6、内集液管7顺次连接构成另一个并联的蒸发冷却回路。

如图2、3所示，外集液管用以并联多根回液管，内集液管用以并联多个蒸发冷却支路。因为外集液管、内集液管的结构特点，可以结合实际应用循环泵，选择每个蒸发冷却回路独立使用循环泵，或者多个蒸发冷却回路共用一个循环泵，形式可以灵活多变，也为应用带来了便利。

当采用管道内冷式强迫循环蒸发冷却装置的风力发电机运行时，定子绕组空心导线内的蒸发冷却介质吸收电机因损耗而产生的热量，冷却介质温度升高。当温度达到当地压力所对应的饱和温度时，冷却介质汽化形成气、液混合的两相流体。在本发明装置中，多根空心导线串联成一个循环支路，蒸发冷却介质在每个循环支路中流动的路程较长，所以循环泵不仅要提供循环动力，还要克服循环回路中的各种阻力。两相流体进入冷凝器的冷却空间，在冷却空间与二次冷却介质进行热交换冷凝为液体。液体蒸发冷却介质流回到回液管。当循环泵的参数设为定值时，随着负荷的变化，冷却通道内蒸发点的位置也将发生相应的改变。当负荷较大时，蒸发点的位置比较靠近前端，两相段较长；当负荷较小时，蒸发点的位置比较靠近后端，两相段较短甚至不出现两相段。当多个循环支路并联时，可以通过调节循环泵的参数，调节循环回路的循环动力，进而影响循环的状态，从而避免有可能发生的严重不稳定现象。

本发明与应用于水轮发电机和汽轮发电机的蒸发冷却装置都有不同。水轮发电机的蒸发冷却系统为立式，可以充分利用重力所产生的压头完成自循环。即使采用强迫循环，立式系统与本发明中具有3～5°倾角的倾斜系统中所涉及到的热交换、两相流等问题也不同。而汽轮发电机的蒸发冷却系统为卧式，由于水平放置，所以一般采用强迫循环，并由循环泵提供整个系统的循环动力。本发明中，风力发电机的蒸发冷却系统具有3～5°倾角，小倾角能为循环系统提供有限的循环动力，也能维持自循环。但本发明装置采用循环泵，辅助提供循环动力，为强迫循环。本装置使循环支路长度增大，减少了连接头数目，增强了机组运行维护的可靠性。另外，循环动力可调，也从一定程度上避免了多根并联时严重不稳定现象的发生。

Claims (6)

1.一种风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于所述的蒸发冷却装置由多个蒸发冷却回路并联而成，每个蒸发冷却回路并联多个循环支路(1)；所述的蒸发冷却回路包括定子绕组空心导线、集气管(2)、冷凝器(3)、回液管(4)、外集液管(5)、循环泵(6)、内集液管(7)；循环支路(1)的前端通过绝缘接头(8)和连接管道(9)连接入集气管(2)；集气管(2)与冷凝器(3)的冷却空间相连，冷凝器(3)的冷却空间与回液管(4)的入口端相连；回液管(4)的出口端连入外集液管(5)，外集液管(5)与循环泵(6)的入口端相连；循环泵(6)的出口端连入内集液管(7)；内集液管(7)通过连接管道(10)、绝缘接头(11)与循环支路(1)的后端相连；所述的定子绕组空心导线、集气管、冷凝器、回液管、外集液管、循环泵、内集液管之间通过绝缘接头和连接管道连接；所述的蒸发冷却回路中注入液体蒸发冷却介质。

2.按照权利要求1所述的风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于所述的定子绕组采用空心导线，或者由空心导线和实心导线组合构成。

3.按照权利要求1所述的风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于所述的循环支路(1)由多根空心导线串联而成。

4.按照权利要求1所述的风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于多个所述的循环支路(1)并联后接入集气管(2)。

5.按照权利要求1所述的风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于多个所述的蒸发冷却循环回路通过外集液管(5)并联。

6.按照权利要求1所述的风力发电机定子绕组的强迫循环蒸发冷却装置，其特征在于每个蒸发冷却循环回路独立使用一个所述的循环泵(6)，或多个蒸发冷却循环回路共用同一个所述的循环泵(6)。

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